[论文解读] Isolation-Aware Timing Analysis and Design Space Exploration for Predictable and Composable Many-Core Systems

Behnaz Pourmohseni, Fedor Smirnov+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Interconnection Networks and Systems参考文献 50被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对可组合多核系统的时间分析与设计空间探索（DSE）框架，该框架具备隔离感知能力，可在单个应用映射中动态组合多种隔离策略（如核心共享、核心预留、区域预留）以应对不同资源。通过在混合隔离策略下形式化界定干扰，该方法能够更广泛、更优地探索资源使用、最坏情况延迟与能耗之间的权衡，相较固定隔离策略方法，映射质量最高提升67%。

ABSTRACT

Composable many-core systems enable the independent development and analysis of applications which will be executed on a shared platform where the mix of concurrently executed applications may change dynamically at run time. For each individual application, an off-line DSE is performed to compute several mapping alternatives on the platform, offering Pareto-optimal trade-offs in terms of real-time guarantees, resource usage, etc. At run time, one mapping is then chosen to launch the application on demand. In this context, to enable an independent analysis of each individual application at design time, so-called inter-application isolation schemes are applied which specify temporal/spatial isolation policies between applications. State-of-the-art composable many-core systems are developed based on a fixed isolation scheme that is exclusively applied to every resource in every mapping of every application and use a timing analysis tailored to that isolation scheme to derive timing guarantees for each mapping. A fixed isolation scheme, however, heavily restricts the explored space of solutions and can, therefore, lead to suboptimality. Lifting this restriction necessitates a timing analysis that is applicable to mappings with an arbitrary mix of isolation schemes on different resources. To address this issue, in this paper, we (a) present an isolation-aware timing analysis that - unlike existing analyses - can handle multiple isolation schemes in combination within one mapping and delivers safe yet tight timing bounds by identifying and excluding interference scenarios that can never happen under the given combination of isolation schemes. Based on the timing analysis, we (b) present a DSE which explores the choices of isolation scheme per resource within each mapping and uses the proposed timing analysis for timing verification. Experimental results demonstrate that, for a variety of real-time applications and many-core platforms, the proposed approach achieves an improvement of up to 67% in the quality of delivered mappings compared to approaches based on a fixed isolation scheme.

研究动机与目标

• 为解决可组合多核系统中固定隔离策略的次优性问题，后者会限制解空间并降低资源与时间权衡的优化效果。
• 支持在不同资源上任意组合隔离策略，实现应用的独立设计时分析。
• 开发一种时间分析方法，能够安全地排除在特定隔离策略组合下不可能发生的干扰场景，从而确保最坏情况时间边界既紧密又安全。
• 执行设计空间探索，联合优化每个核心或区域的映射与隔离策略选择，提升实时性能、资源使用与能耗之间的Pareto最优权衡。

提出的方法

• 提出一种隔离感知时间分析方法，可识别并排除在特定资源组合隔离策略下不可能发生的干扰场景。
• 采用形式化干扰模型对干扰边界进行建模，该模型考虑了应用于每个资源的具体隔离策略（如核心共享、预留等）。
• 将隔离感知时间分析集成到多目标DSE框架中，探索每个核心或区域的映射与隔离策略选择。
• 使用ϵ-支配度量评估并比较不同DSE策略下解集的质量。
• 采用混合应用映射（HAM）策略，以支持动态工作负载与可变的资源可用性。
• 将该方法应用于基于区域化多核架构（如6×6 NoC）的实时应用，其异构资源包括核心、内存与网络适配器。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种时间分析方法，在单个应用映射中对不同资源同时使用多种隔离策略时，安全且紧密地界定最坏情况执行时间？
• RQ2 将隔离感知时间分析集成到DSE中，相较于固定隔离策略方法，如何提升Pareto最优映射的质量？
• RQ3 所提出的DSE结合混合隔离策略，在资源使用、延迟与能耗方面，能在多大程度上拓展并超越固定策略方法的解空间限制？
• RQ4 与仅使用核心共享、核心预留或区域预留的方法相比，使用隔离感知DSE在解集质量（以ϵ-支配衡量）上能实现多大程度的定量提升？

主要发现

• 所提出的隔离感知DSE相较固定隔离策略方法，映射质量最高提升67%，该结果通过ϵ-支配度量验证。
• 所提方法探索的解空间超越并覆盖了核心共享、核心预留与区域预留方法所探索的子区域，从而实现更高质量的权衡。
• 隔离感知时间分析成功排除了在混合隔离策略下不可能发生的干扰场景，从而获得更紧致且安全的最坏情况时间边界。
• 所提方法在三维目标空间（资源使用、延迟、能耗）中提供了更广范围的Pareto最优解集，表明其具备更优的多目标优化能力。
• 在所有评估配置中（6×6与4×4 NoC架构，搭载汽车与电信应用），隔离感知DSE在ϵ-支配指标上均优于固定策略方法，且支配指数始终更低。
• 该方法通过支持按资源独立选择隔离策略，实现了更灵活、更具组合性的设计流程，同时不损害可预测性与安全性。